我國火炮膛壓塑性測壓的計量發(fā)展研究

楊麗俠

(西安近代化學(xué)研究所，陜西，西安710065)

0 引言

塑性變形測壓法使用方便，只需一個塑性測壓器件(塑性敏感元件、測壓器);操作簡單，可不破壞被試武器;數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠且經(jīng)濟，因此，仍是我國乃至世界各國火炮膛壓檢驗的主要手段。目前我國大部分的火炮武器均采用塑性測壓器材測量膛內(nèi)火藥燃氣的峰值壓力，其測試結(jié)果被用來評定火炮裝藥、彈丸及引信等產(chǎn)品的彈道性能，也作為科研、生產(chǎn)特別是產(chǎn)品交驗環(huán)節(jié)的重要依據(jù)。因此，研究塑性測壓技術(shù)的計量發(fā)展，獲得準(zhǔn)確可靠的膛內(nèi)峰值壓力，實現(xiàn)準(zhǔn)確的量值傳遞和計量保障，并與國際壓力基準(zhǔn)接軌，既方便兵器技術(shù)交流和產(chǎn)品進出口等，也對常規(guī)兵器的研究和發(fā)展具有十分重要的意義。

1 實施動態(tài)校準(zhǔn)是塑性測壓的發(fā)展方向

用塑性測壓法測量火炮膛內(nèi)的峰值壓力，直接測量的是敏感元件(銅球、銅柱)的變形量或壓后高度，因此，使用之前必須先測出敏感元件塑性變形量和壓力之間的對應(yīng)關(guān)系，編制壓力換算表，再進行校準(zhǔn)。塑性測壓法根據(jù)敏感元件校準(zhǔn)方法的不同，又分為靜態(tài)校準(zhǔn)和動態(tài)(準(zhǔn)動態(tài))校準(zhǔn)，校準(zhǔn)原理示意圖分別見圖1 和圖2。

靜態(tài)校準(zhǔn)是在杠桿式力機上對敏感元件進行加載試驗，得到不同力與銅柱壓后高或變形量之間的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)所使用測壓器的活塞面積，將力值折算成對應(yīng)壓力值，獲得壓力值與壓后高或變形量的對應(yīng)關(guān)系，進行靜態(tài)壓力對照表的編制。

動態(tài)(準(zhǔn)動態(tài))校準(zhǔn)是在落錘液壓校準(zhǔn)裝置(簡稱落錘裝置)上進行試驗，利用落錘裝置中的造壓油缸產(chǎn)生半正弦壓力源，類似火炮膛壓的P －t 曲線，由4 路壓電傳感器、電荷放大器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成標(biāo)準(zhǔn)壓力測試系統(tǒng)，測試壓力峰值的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)壓力Pm，在壓力源相同位置上安裝的塑性測壓敏感元件接受相同的壓力而產(chǎn)生塑性變形△h 或h，變形量與所承受壓力之間通過數(shù)學(xué)處理編制壓力對照表，實現(xiàn)對測壓敏感元件的壓力校準(zhǔn)。高、低溫試驗箱用于對測壓敏感元件進行高、低溫校準(zhǔn)，修正溫度的影響。

膛壓電測技術(shù)的發(fā)展，使人們發(fā)現(xiàn)利用靜態(tài)校準(zhǔn)的銅柱銅球等塑性敏感元件，對快速變化的動態(tài)膛壓存在一定的動態(tài)系統(tǒng)誤差，靜態(tài)校準(zhǔn)方法所測膛壓存在嚴(yán)重的動態(tài)測量誤差，一般比“真值”要低5% ～30%，因此，國內(nèi)外都在研究新的校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)手段［1－4］，國際膛壓塑性測壓正在從靜態(tài)校準(zhǔn)向動態(tài)校準(zhǔn)演變，美、英、北約集團等率先采用電測法測壓，用接近真值的動態(tài)校準(zhǔn)的敏感元件測壓代替靜態(tài)校準(zhǔn)的塑性測壓，到了20 世紀(jì)90 年代初，英、美和北約等已建立了塑性測壓的校準(zhǔn)體系，并將其標(biāo)準(zhǔn)化［5－7］。以電測法作為約定真值的比對式動態(tài)校準(zhǔn)方法，可實現(xiàn)塑性測壓法與電測法測試壓力峰值的互轉(zhuǎn)，并可通過壓電傳感器溯源到ISO 國際壓力基準(zhǔn)。因此，動態(tài)校準(zhǔn)已被美、英、北約等西方國家普遍采用，是國際膛壓檢測校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展方向。

圖1 靜態(tài)校準(zhǔn)原理示意圖

圖2 動態(tài)校準(zhǔn)原理示意圖

2 國內(nèi)現(xiàn)狀分析

2.1 塑性測壓靜動態(tài)校準(zhǔn)方法并存，銅柱及測壓器品種繁雜，壓力數(shù)據(jù)無可比性

長期以來，我國沿襲前蘇聯(lián)的塑性測壓靜態(tài)校準(zhǔn)方法，針對不同的武器系統(tǒng)使用不同規(guī)格的銅柱作為敏感元件，導(dǎo)致現(xiàn)行大部分的武器系統(tǒng)均采用靜態(tài)校準(zhǔn)銅柱進行產(chǎn)品交驗，柱形銅柱、錐形銅柱多達十種，銅柱測壓器也品種繁多［8－11］。然而，隨著電測技術(shù)和國際塑性測壓動態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展，靜態(tài)校準(zhǔn)方法阻礙了我國高性能火炮的設(shè)計和研制，制約了兵器產(chǎn)品的進出口。為了仿研美國型號武器，迫使我國進口并仿研了美國的銅球和測壓器，實施動態(tài)校準(zhǔn)，因此，形成了以靜態(tài)校準(zhǔn)為主，靜態(tài)校準(zhǔn)和動態(tài)校準(zhǔn)并存的局面，導(dǎo)致同一壓力源下出現(xiàn)多種不同的測量結(jié)果，膛壓數(shù)據(jù)無可比性，表1 為我國典型火炮裝藥交驗用測壓器材及校準(zhǔn)方法。

表1 我國典型火炮裝藥交驗用測壓器材及校準(zhǔn)方法

2.2 動態(tài)校準(zhǔn)尚未建立計量標(biāo)準(zhǔn)，且高膛壓火炮無動態(tài)校準(zhǔn)的測壓器材可用

我國實施動態(tài)校準(zhǔn)的測壓器材僅為仿研美國的銅球和測壓器，其穩(wěn)定的測壓范圍為100 ～500 MPa，用于以仿研為主的火炮武器，銅球和測壓器沒有計量標(biāo)準(zhǔn)及量傳手段和方法;隨著身管武器向高膛壓高初速的方向發(fā)展，為增加威力和射程，越來越多的武器系統(tǒng)采用高能發(fā)射裝藥，我國制式火炮彈藥產(chǎn)品的交驗已從膛壓峰值為300 MPa 左右提高到450 ～600 MPa，高膛壓武器系統(tǒng)的峰壓最高可達690 MPa，如125 mm坦克炮等，武器性能提升伴隨著膛壓提高，而我國無動態(tài)校準(zhǔn)高壓測壓器材，現(xiàn)行的部分高膛壓武器又回到靜態(tài)校準(zhǔn)的銅柱，如4 mm ×8 mm 靜校銅柱和38 cm3測壓器，其測壓范圍為300 ～600 MPa。武器膛壓越高，動靜差問題越突出，影響了火炮產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)。

3 塑性測壓的計量發(fā)展思路

針對塑性測壓校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展趨勢及我國火炮膛壓塑性測壓器材的技術(shù)現(xiàn)狀，探討塑性測壓器材及校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展思路。

3.1 研究測壓范圍為20 ～700 MPa、小型化、規(guī)格單一化的銅柱及測壓器

1)敏感元件實施動態(tài)校準(zhǔn)是塑性測壓的發(fā)展趨勢，我國南京理工大學(xué)朱明武教授已成功研究了落錘校準(zhǔn)裝置，用于對仿研銅球進行動態(tài)校準(zhǔn)，火炸藥計量一級站［12］也建立了高精度的動態(tài)校準(zhǔn)裝置，測試系統(tǒng)的不確定度為0.5%，我國塑性測壓實施動態(tài)校準(zhǔn)已有了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

2)簡化銅柱規(guī)格、減小測壓器的體積，可通過優(yōu)化銅柱的直徑、長徑比、質(zhì)量等，調(diào)節(jié)測壓器的活塞面積及配合間隙等擴大測壓范圍，可以解決我國上述火炮膛壓塑性測壓的數(shù)據(jù)無法比較的問題。表1 為北約組織各成員的塑性測壓器［5］，可以看到，北約各成員國使用較少的銅柱或銅球規(guī)格，實現(xiàn)較寬的測壓范圍。我國學(xué)者［3］也對此進行了理論分析，采用現(xiàn)代設(shè)計方法針對φ4 ×8，φ3.5 ×8.75 兩種型號的銅柱進行分析，并縮少測壓活塞面積為0.1cm2，可擴大壓力范圍達20 ～800 MPa，使測壓器小型化，體積＜15 cm3，火炮初步試驗有一定的可行性。因此，應(yīng)盡快研究定型我國自主創(chuàng)新的塑性測壓動態(tài)校準(zhǔn)器材，以統(tǒng)一塑性測壓的量值。

表1 北約組織的塑性測壓器

3.2 建立塑性測壓動態(tài)校準(zhǔn)的計量標(biāo)準(zhǔn)，形成溯源和量值傳遞體系

3.2.1 鑒選標(biāo)準(zhǔn)測壓器件，建立標(biāo)準(zhǔn)壓力對照表

1)通過精選銅材、優(yōu)化銅柱加工工藝，多批次銅柱加工等措施，使用壓力機加載試驗、落錘校準(zhǔn)試驗，研究銅柱熱處理溫度、工藝條件等對銅柱的變形量及一致性的影響，研究銅柱表面強度、堅強性、變形規(guī)律及影響因素等，鑒選標(biāo)準(zhǔn)批銅柱。

2)建立高壓模擬裝置，獲得火炮膛內(nèi)－t 曲線的全過程壓力環(huán)境，通過火藥燃氣作為壓力源考核測壓器的抗燒蝕性、密封性、初溫變化，特別是高低溫環(huán)境下測壓器的動態(tài)測壓性能，防止測壓器在高溫高壓下火藥氣體泄入本體，低溫下活塞不被“抱死”等，將塑性測壓器與電測值進行比對，鑒選動態(tài)測壓性能優(yōu)良的測壓器為標(biāo)準(zhǔn)級測壓器。

3)對標(biāo)準(zhǔn)銅柱及測壓器，研究定值分段范圍、預(yù)壓值等，并在測壓范圍內(nèi)選取9 ～11 個壓力點下進行落錘校準(zhǔn)試驗，進行3 ～5 次的系列重復(fù)試驗，采用多項式回歸分析，建立變形量與壓力的數(shù)學(xué)模型，編制20℃、脈寬為6 ms 下的動態(tài)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)壓力對照表，對一種規(guī)格的銅柱(球)和測壓器只編制1 套(2 ～3個)標(biāo)準(zhǔn)壓力對照表;該方法代替我國長期以來的十幾種測壓銅柱和大大小小的測壓器及仿美的銅球和測壓器等所需的多種且每批編一次表的繁亂的狀況，解決了現(xiàn)有靜態(tài)校準(zhǔn)的系統(tǒng)誤差，可確定并提高塑性測壓動態(tài)校準(zhǔn)體系的標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度，便于計量標(biāo)準(zhǔn)更新、拓寬和計量管理，可與國際膛壓塑性測壓的校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展趨勢接軌。

4)溫度和壓力－時間曲線的脈寬是影響銅柱變形量的主要因素，在不同壓力下每攝氏度引起的誤差約為0.1% ～0.2%，當(dāng)測壓時環(huán)境溫度與編表校準(zhǔn)時環(huán)境溫度相差數(shù)十度時，銅柱測壓將產(chǎn)生5% ～10%的測量誤差;當(dāng)脈寬在2 ～14 ms 范圍變化時，與脈寬為6 ms 時編表值相比，將產(chǎn)生－3% ～+6%的測量誤差，在脈寬小于6 ms 時，誤差為負，在脈寬大于6 ms 時，誤差為正。為盡可能覆蓋我國火炮系統(tǒng)膛壓曲線的環(huán)境溫度和脈寬范圍，提高塑性測壓精度，通過落錘裝置改變溫度和脈寬，研建標(biāo)準(zhǔn)銅柱動態(tài)壓力對照表高低溫和脈寬修正模型。

3.2.2 形成動態(tài)校準(zhǔn)的溯源和量值傳遞體系

1)研建敏感元件量值傳遞的校準(zhǔn)裝置，如落錘裝置造壓油缸改造、模擬炮等，研究量值傳遞方法和判據(jù)，考核被試批和標(biāo)準(zhǔn)批之間的差異，以確定不同批次的銅球銅柱和測壓器的性能和等級，考核可分敏感元件和測壓器兩類。

2)使用標(biāo)準(zhǔn)的敏感元件(銅球、銅柱)、測壓器及建立的標(biāo)準(zhǔn)壓力對照表對敏感元件進行量值傳遞，同種銅線原材料下同種規(guī)格的銅柱銅球不再編表，經(jīng)考核合格后，直接使用標(biāo)準(zhǔn)壓力對照表;考核使用動態(tài)校準(zhǔn)的半正弦形落錘裝置，與標(biāo)準(zhǔn)批比對校準(zhǔn)，以比較不同批次敏感元件與標(biāo)準(zhǔn)批塑性變形的差異，確定標(biāo)準(zhǔn)壓力對照表的適應(yīng)性，對敏感元件進行分級，如標(biāo)準(zhǔn)、合格及不合格等。

3)對于測壓器具的動態(tài)性能考核，使用高壓(達700 MPa)動態(tài)模擬炮裝置，將被考核測壓器與高級別測壓器放置在火藥燃氣藥室的同一截面，進行比對式動態(tài)校準(zhǔn)，根據(jù)考核試驗結(jié)果，確定測壓器的等級。該方法對塑性測壓器材進行日常性能考核和分級，無須在藥室身管開電測孔，可降低塑性測壓器材生產(chǎn)考核的成本，操作方便，并與現(xiàn)行靜態(tài)校準(zhǔn)體系的測壓器考核接軌［13－14］，可實施性強。

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